紫花苜蓿QTL與全基因組選擇研究進(jìn)展及其應(yīng)用

康俊梅，張鐵軍，王夢(mèng)穎，張怡，楊青川

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京100193）

＊紫花苜蓿（Medicagosativa）是世界上分布最廣，種植面積最大的飼草作物品種。由于其適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)草量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，且具有生物固氮等優(yōu)良特點(diǎn)，已在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，種植面積達(dá)32×106hm2［1］。在美國(guó)，苜蓿已被作為第三大作物，僅次于玉米（Zeamays）、大豆（Glycinemax），種植面積大約800萬(wàn)hm2［2］。在我國(guó)，近幾年苜蓿種植面積不斷增加，大約為300萬(wàn)hm2，居世界第6位，而且種植面積還有不斷擴(kuò)大的勢(shì)頭。紫花苜蓿是同源四倍體，異花授粉植物，由于其自交衰退的特點(diǎn)，使其遺傳改良與二倍體作物相比更為復(fù)雜。盡管國(guó)內(nèi)外苜蓿育成品種取得較大的發(fā)展，但這些品種的選育方法都是通過(guò)傳統(tǒng)的育種手段。傳統(tǒng)的育種方法選育周期長(zhǎng)，一般需要5～7年，而且需要消耗大量的人力、物力，進(jìn)行大面積的田間表型選擇。隨著現(xiàn)代分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展，分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)開(kāi)始興起，并不斷成為分子育種中最重要的育種技術(shù)之一［3－4］。該技術(shù)是利用分子遺傳標(biāo)記，借助于目標(biāo)基因緊密連鎖的遺傳標(biāo)記的基因型分析，鑒定分離群體中含有目標(biāo)基因的個(gè)體，從而提高了選擇效率，減少了選擇的盲目性，可極大提高傳統(tǒng)育種的選擇效率，加速育種進(jìn)程［5－6］。特別是對(duì)抗性基因的篩選，可以脫離傳統(tǒng)育種情況下所必需的選育環(huán)境。因此，開(kāi)展苜蓿遺傳圖譜構(gòu)建與QTL定位研究，對(duì)加速苜蓿遺傳改良與新品種選育具有重要的意義。本文綜述了苜蓿遺傳圖譜構(gòu)建與特征，QTL定位及發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)關(guān)聯(lián)作圖與全基因組選擇等方面的研究進(jìn)展加以概括。以便讀者對(duì)本領(lǐng)域有較全面的了解，并為分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)在苜蓿遺傳改良中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 分子標(biāo)記的發(fā)展及其應(yīng)用

最早應(yīng)用分子標(biāo)記的是Botstein等［5］利用限制性內(nèi)切酶片段長(zhǎng)度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）構(gòu)建了人類遺傳連鎖圖譜，從而奠定了分子標(biāo)記技術(shù)研究的基礎(chǔ)，此后分子標(biāo)記技術(shù)發(fā)展迅速，先后有隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA（randomly amplified polymorphic DNA，RAPD）、擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性（amplified fragment length polymorphism，AFLP）、簡(jiǎn)單重復(fù)序列（simple sequence repeat，SSR）、簡(jiǎn)單重復(fù)序列間擴(kuò)增（inter－simple sequence repeat，ISSR）和單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）等，這些技術(shù)在種質(zhì)資源遺傳多樣性與系統(tǒng)發(fā)育分析、品種指紋圖譜繪制、遺傳純度檢測(cè)、遺傳連鎖圖譜構(gòu)建及基因標(biāo)記定位與克隆等方面被廣泛應(yīng)用［7］。分子標(biāo)記應(yīng)用于二倍體苜蓿遺傳圖譜的構(gòu)建及相關(guān)研究較早，也比較成熟，最早的二倍體苜蓿遺傳圖譜是以紫花苜蓿W2xiso和藍(lán)花苜蓿PI440501雜交獲得的F2群體為材料，用130個(gè)RFLP標(biāo)記構(gòu)建了包含10個(gè)連鎖群，覆蓋圖距467.5cM的遺傳圖譜［4］。之后通過(guò)檢測(cè)苜蓿屬多年生和一年生苜蓿的SSR標(biāo)記，又補(bǔ)充了9個(gè)SSR標(biāo)記使該圖譜的遺傳距離達(dá)到646.5cM［8］。利用紫花苜蓿變種和藍(lán)花苜蓿雜交的F2重組群體也構(gòu)建了遺傳圖譜，該圖譜具有包括RFLP、RAPD、同功酶標(biāo)記和表型標(biāo)記共計(jì)89個(gè)分子標(biāo)記［4，8］。此外，采用RFLP、RAPD繪制了二倍體栽培苜蓿F1群體和1個(gè)回交群體的遺傳圖譜，并用16個(gè)公共標(biāo)記整合成1張包括130個(gè)標(biāo)記、8個(gè)連鎖群的圖譜［9］。此后，以黃花苜蓿、藍(lán)花苜蓿、二倍體紫花苜蓿和截形苜蓿等不同材料為親本，對(duì)其雜交后的F1和F2群體構(gòu)建了較為飽和的二倍體苜蓿遺傳圖譜［10－13］，但不足之處是這些遺傳連鎖圖譜利用的是不同的二倍體群體和不同的標(biāo)記，因此不能完全融為一體。

四倍體紫花苜蓿由于具有四倍體遺傳特性和自交不親和特點(diǎn)，使其與二倍體苜蓿相比進(jìn)行分離群體的分析更困難［10－13］，其遺傳圖譜構(gòu)建進(jìn)程相對(duì)緩慢。目前，只有為數(shù)不多的幾個(gè)完整的四倍體苜蓿遺傳圖譜的報(bào)告。最早的報(bào)道是利用四倍體苜蓿F1群體，分析32個(gè)RAPD標(biāo)記的分離結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了9個(gè)連鎖群，分別屬于4個(gè)連鎖組，并且研究了構(gòu)建四倍體苜蓿遺傳圖譜的策略［13］。四倍體苜蓿的連鎖圖譜構(gòu)建的困難主要在于對(duì)3種雜合基因型位點(diǎn)劑量的鑒定。有的分子標(biāo)記如SSR和RFLP等不能區(qū)分四倍體雜合體基因位點(diǎn)單劑量、雙劑量或三劑量幾種類型，即在技術(shù)上鑒別AAAa，AAaa和Aaaa是不可能的。目前四倍體苜蓿遺傳圖譜的建立存在2種途徑，一種是基于Brouwer和 Osborn［14］提出的利用單劑量位點(diǎn)（single dose alleles，SDAs）檢測(cè)和估計(jì)分子標(biāo)記間的連鎖距離。SDAs在配子體中的分離情況為1∶1（有∶無(wú)），這與簡(jiǎn)單的二倍體基因型中的一個(gè)顯性等位基因類似。利用一代回交群體，一套基于SDA的四倍體苜蓿遺傳圖譜在2005年完成［15］，包含了所有8條染色體組。另一途徑是利用專門用于建立同源四倍體物種遺傳圖譜的軟件TetraploidMap［16］，采用F1群體，同時(shí)利用單劑量和雙劑量的分子標(biāo)記作圖。通過(guò)這一途徑已成功地建立了一套四倍體苜蓿遺傳圖譜［17］。

然而，大多數(shù)分子標(biāo)記，如：SSR、AFLP等是不能夠滿足基因的精細(xì)定位和全基因組關(guān)聯(lián)研究［18］。SNP是最新發(fā)展的第三代分子標(biāo)記技術(shù)，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ姆肿訕?biāo)記，因其在基因組中數(shù)量多、分布廣，且具有遺傳穩(wěn)定性高、等位基因性，在基因分析過(guò)程中不需要根據(jù)片段大小將DNA分帶，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化，適合于數(shù)量龐大的檢測(cè)分析。隨著高通量檢測(cè)技術(shù)（基因芯片、genotyping－by－sequencing）的發(fā)展，高通量SNP基因分型技術(shù)已經(jīng)成為全基因組關(guān)聯(lián)分析與特異基因精確定位的重要手段。在高密度遺傳圖譜構(gòu)建、性狀作圖和基因的精確定位、群體遺傳結(jié)構(gòu)分析以及系統(tǒng)發(fā)育分析等方面具有廣闊的應(yīng)用前景［18－19］。目前，在美國(guó)開(kāi)始采用SNP技術(shù)對(duì)四倍體苜蓿和二倍體苜蓿群體構(gòu)建高密度的遺傳連鎖圖譜，初步獲得了一些與產(chǎn)量、秋眠性、抗寒性及水分利用效率性狀相關(guān)的 QTL位點(diǎn)［20－23］。

2 苜蓿遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建與特點(diǎn)

目前，已有許多二倍體苜蓿和四倍體苜蓿的遺傳圖譜被構(gòu)建成功。盡管早期的幾個(gè)圖譜對(duì)連鎖群體的定名有隨機(jī)性，但大部分圖譜的連鎖群與蒺藜苜蓿（Medicagotruncatula）所對(duì)應(yīng)的染色體緊密聯(lián)系。連鎖群的長(zhǎng)度范圍為234～794cM，并且許多圖譜具有嚴(yán)重的偏分離標(biāo)記［15，24－28］。有趣的是，用F2代群體構(gòu)建的連鎖圖譜中多數(shù)偏分離標(biāo)記是有利的雜合子［14］，這表明有利于對(duì)有活力基因的超顯性與偽超顯性合子的選擇。盡管二倍體圖譜簡(jiǎn)單，但是四倍體苜蓿品種構(gòu)建的圖譜將為苜蓿育種提供更多的信息，具有重要的使用價(jià)值。苜蓿由于具有四倍體遺傳特性，因此它的4個(gè)同源染色體在減數(shù)分裂是均可與其他幾個(gè)染色體配對(duì)。這種雙價(jià)體配對(duì)的優(yōu)勢(shì)限制了雙倍型降低的發(fā)生［26］。四倍體遺傳特性比二倍體更為復(fù)雜——4個(gè)等位基因可以出現(xiàn)在1個(gè)給定的個(gè)體并且任何1個(gè)等位基因的劑量范圍從0到4都有可能。這些復(fù)雜的情況是四倍體苜蓿遺傳圖譜構(gòu)建的挑戰(zhàn)，尤其是等位基因的劑量不確定的時(shí)候。遺傳作圖軟件“TetraploidMap”［18］能夠把顯性和共顯性標(biāo)記結(jié)合，實(shí)現(xiàn)四倍體苜蓿的連鎖圖譜構(gòu)建［28－31］。

許多與產(chǎn)量［26，30－31］、抗寒性［32－33］、持久性［34］、耐鋁性［35］和水分利用效率［36］等表型性狀相關(guān)的 QTL 已經(jīng)在四倍體苜蓿連鎖圖譜上進(jìn)行了定位。但是也存在一些潛在的因素限制了四倍體苜蓿圖譜的精確性和有效性。首先，分子標(biāo)記數(shù)量有限，遺傳連鎖圖譜的飽和度差，而且構(gòu)建的連鎖圖譜是由4個(gè)同源染色體組成，這4個(gè)同源染色體的飽和度不能確定［26］，Markers在4條染色體分布不均勻，影響了四倍體苜蓿遺傳圖譜的準(zhǔn)確性。其二，遺傳作圖群體數(shù)量小，也是影響遺傳圖譜和QTL定位準(zhǔn)確性的重要因素。四倍體苜蓿群體遺傳作圖不同于二倍體苜蓿，在四倍體苜蓿群體中每個(gè)同源染色體重組的幾率只有50%，而且每對(duì)同源染色體配對(duì)的機(jī)會(huì)占群體單株數(shù)的16.7%［37－38］。迄今為止，所有的作圖群體不超過(guò)200個(gè)單株，很可能導(dǎo)致對(duì)QTL數(shù)量低估而對(duì)其作用效率高估。此外，如果QTL在父母本中存在多態(tài)性，那么在這個(gè)群體中檢測(cè)QTL的能力就偏低。目前還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出合適的計(jì)算機(jī)程序用于區(qū)間作圖的合成，分析QTL之間的互作以及評(píng)估基因與環(huán)境之間的互作。因此，某種程度上，這一理論還不能完全應(yīng)用于同源四倍體苜蓿的育種方案。

最新發(fā)展的高通量SNP基因分型技術(shù)將是構(gòu)建高密度遺傳連鎖圖譜與重要農(nóng)藝性狀基因在染色體上精確定位的重要手段。美國(guó)最近在這些方面取得了很大的進(jìn)展，通過(guò)454測(cè)序技術(shù)，在2個(gè)抗旱和非抗旱基因型間發(fā)現(xiàn)了近4萬(wàn)SNPs，同時(shí)發(fā)展了高分辨溶解曲線（high resolution melting，HRM）的基因分型高通量平臺(tái)，可以對(duì)四倍體苜蓿進(jìn)行精準(zhǔn)的SNP劑量鑒定［18］。美國(guó)遺傳育種學(xué)家Brummer實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了對(duì)23個(gè)四倍體與4個(gè)二倍體苜蓿轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序，包括從美國(guó)的苜蓿育種公司得到的經(jīng)典苜?；蛐?。從中發(fā)現(xiàn)了25000個(gè)Unigene以及900000個(gè)SNPs。這項(xiàng)研究鑒定的SNPs在豆科信息庫(kù)中已經(jīng)被公布［39］。該項(xiàng)研究的重大進(jìn)展為四倍體苜蓿高密度遺傳圖譜的構(gòu)建及重要農(nóng)藝性狀的QTL定位奠定了重要的基礎(chǔ)。最近，他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)的900000個(gè)SNPs中選取了10000個(gè)來(lái)自關(guān)鍵性狀候選基因的SNP，并合成了Illumina iSelect高通量基因芯片，對(duì)現(xiàn)存的2個(gè)苜蓿群體進(jìn)行了SNP基因分型。這些新添加的SNP分子標(biāo)記將大大提高基因圖譜的分子標(biāo)記密度，幫助對(duì)已知QTL的精準(zhǔn)定位，并且可以鑒定新的QTL位點(diǎn)。

3 苜蓿重要性狀QTL定位及其應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

QTL圖譜是鑒定控制數(shù)量性狀基因的一種常用方法，對(duì)于探索自然遺傳的變異發(fā)揮著重要的作用。在二倍體和四倍體苜蓿中已經(jīng)建立了一些基因連鎖圖譜。應(yīng)用QTL作圖，一些重要的農(nóng)藝性狀，如產(chǎn)量［30－31］、耐寒性［32－33］和耐鋁［35］等QTLs已經(jīng)鑒定出來(lái)。然而，由于有限的基因圖譜分辨率，大多數(shù)的QTL定位在很大的區(qū)間間隔內(nèi)。隨著大量SNP標(biāo)記和高效的高通量基因分型手段的開(kāi)發(fā)，與重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的基因已經(jīng)在玉米和水稻（Oryzasativa）中成功的精細(xì)定位。由于紫花苜蓿中分子標(biāo)記的數(shù)量較少，重要性狀基因的定位有一定的局限性。

目前，在苜蓿中定位的主要QTL位于較大的染色體區(qū)段，如果這些QTL要在育種中得到應(yīng)用必須縮小定位區(qū)間并加以驗(yàn)證。盡管在同源四倍體精細(xì)作圖QTL定位的研究還非常少，但是具有代表性的非接瘤表型性狀的遺傳位點(diǎn)nn1已經(jīng)完成了精細(xì)定位［40－41］。這個(gè)位點(diǎn)的基因已經(jīng)在四倍體苜蓿中被克?。?1－42］。這個(gè)位點(diǎn)的精確定位是首先用一個(gè)四倍體苜蓿F2群體的800個(gè)單株在一個(gè)候選區(qū)域作圖，然后用二倍體苜蓿連鎖圖譜確定這個(gè)區(qū)域所用的分子標(biāo)記，然后對(duì)2000多個(gè)單株的F2群體進(jìn)行精細(xì)作圖。最后，應(yīng)用二倍體苜蓿成熟的遺傳圖譜，并通過(guò)比較作圖來(lái)進(jìn)一步完成QTL的定位。

已有大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)在蒺藜苜蓿中鑒定的基因或QTL，對(duì)苜蓿的遺傳改良具有一定的應(yīng)用價(jià)值。如，苜?？固烤也〉囊粋€(gè)主效基因（RCT1）在蒺藜苜蓿中被克?。?3］，苜蓿抗春季黑莖病和葉斑病的QTL也在蒺藜苜蓿的遺傳圖譜中被確定［44］，但是它們的抗性沒(méi)有得到證實(shí)。此外，與氮素營(yíng)養(yǎng)［45－46］、開(kāi)花時(shí)間以及形態(tài)特征［47－48］相關(guān)的QTL也被鑒定。近幾年，通過(guò)基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)苜蓿近緣種蒺藜苜蓿與四倍體苜蓿有高度的共線性關(guān)系［49］，因此，蒺藜苜蓿遺傳圖譜構(gòu)建與QTL定位研究為四倍體苜蓿的相關(guān)研究奠定了良好的基礎(chǔ)［40－51］。

近年來(lái)，隨著分子標(biāo)記及高通量基因分型技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)已經(jīng)在27個(gè)苜?；蛐椭型ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序挖掘出了25000個(gè)表達(dá)序列標(biāo)簽（expressed sequence tags，EST）序列和90萬(wàn)個(gè)SNP位點(diǎn)［39］。這些EST序列和SNP位點(diǎn)為構(gòu)建遺傳圖譜、候選基因定位和準(zhǔn)確定位等提供遺傳和基因組資源。10KIllumina的苜蓿SNP芯片已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)，為苜蓿研究者和育種工作者提供了高通量基因分型平臺(tái)［39］。最近，美國(guó)塞繆爾羅伯特諾貝爾基金會(huì)正在利用基因芯片，對(duì)現(xiàn)存的苜蓿群體進(jìn)行SNP基因分型，添加大量新的SNP分子標(biāo)記到原來(lái)的低密度遺傳圖譜中去。部分QTL也已被定位于遺傳圖譜上。新的SNP分子標(biāo)記將提高已知QTL的精準(zhǔn)定位和鑒定新的QTL位點(diǎn)。Brummer博士研究組已經(jīng)獲得了苜蓿的基因分型序列，并成功地開(kāi)發(fā)了四倍體苜蓿GBS數(shù)據(jù)分析通路［52］。這些基因組資源和先進(jìn)的基因分型技術(shù)將會(huì)促進(jìn)在高通量QTL作圖、全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome wide association studies，GWAS）、全基因組選擇（genome selection，GS），候選基因關(guān)聯(lián)分析和精細(xì)作圖中QTL 的挖掘和驗(yàn)證［52－53］。

4 關(guān)聯(lián)作圖研究現(xiàn)狀

關(guān)聯(lián)作圖（association mapping）的方法也可以對(duì)重要性狀進(jìn)行QTL定位，所用的作圖群體可以是收集的地方品種或育種用的品系［54－55］。關(guān)聯(lián)作圖群體與家族型作圖群體相比在某一特定性狀上將有更多的多態(tài)性QTL位點(diǎn)并在多個(gè)性狀上產(chǎn)生變異。因此，為遺傳作圖提供更廣闊的推理空間。此外，在育種群體中，關(guān)聯(lián)作圖可以直接提供標(biāo)記信息從而立即加速遺傳增量。與家族型QTL作圖類似，關(guān)聯(lián)作圖也依賴于一個(gè)標(biāo)記和目標(biāo)基因（或QTL）之間的連鎖不平衡（linkage disequilibrium，LD）。由于重組的結(jié)果，與家族型QTL定位分析相比，關(guān)聯(lián)作圖也能精確定位QTL，但由于連鎖不平衡發(fā)生在基因組中更短的距離內(nèi)，所以需要分子標(biāo)記的密度更大才能對(duì) QTL定位［56］。

連鎖不平衡的程度取決于群體的遺傳史。在1個(gè)普通的具有多樣性的二倍體群體中，木質(zhì)素生物合成途徑中4個(gè)基因的連鎖不平衡迅速衰減到1kb以內(nèi)［57］。在1個(gè)具有遺傳多樣性的四倍體苜蓿種質(zhì)資源中調(diào)控開(kāi)花的基因（CONSTANS－LIKE）中也發(fā)現(xiàn)了連鎖不平衡的快速衰減的現(xiàn)象［58］。LD快速衰減的現(xiàn)象可能是由于苜蓿雜交的特性以及苜蓿種質(zhì)資源收集中保持有效的群體數(shù)量。紫花苜蓿育種群體來(lái)源于父母種質(zhì)其相對(duì)遺傳范圍狹窄，使LD足夠廣泛避免了關(guān)聯(lián)作圖中所需的成百上千標(biāo)記。盡管SSR分子標(biāo)記的高突變率可能導(dǎo)致對(duì)LD的高估，但仍可以合理評(píng)估區(qū)間為1Mbp左右的四倍體苜蓿育種群體廣義連鎖不平衡［57］。為了便于苜蓿關(guān)聯(lián)作圖分析，目前已出版了用于評(píng)估同源四倍體不同分子標(biāo)記之間連鎖不平衡的計(jì)算機(jī)軟件程序［23］，可以針對(duì)不同群體進(jìn)行LD模式的評(píng)估。

5 全基因組選擇研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

基因組選擇（genomic selection，GS）是于2002年被首次提出，是利用覆蓋全基因組的高密度分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇的一種方式，所有的QTL都至少與一個(gè)分子標(biāo)記存在連鎖不平衡，甚至可以追溯到大量影響不同數(shù)量性狀的基因，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)量性狀進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)定，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了標(biāo)記輔助選擇的優(yōu)勢(shì)［59］。基因組選擇得以實(shí)現(xiàn)歸功于基因組序列中發(fā)現(xiàn)了大量的單核苷酸多態(tài)性（SNP），并且新的技術(shù)手段可以有效地對(duì)這些大量的SNP進(jìn)行基因分型。模擬研究與育種試驗(yàn)結(jié)果表明，遺傳標(biāo)記可以高度精確地預(yù)測(cè)育種值，但是對(duì)于群體樣本與分子標(biāo)記評(píng)估效應(yīng)存在差異時(shí)要求有更多的試驗(yàn)進(jìn)行專門的驗(yàn)證。然而，通過(guò)基因組數(shù)據(jù)評(píng)估育種值的理想方法是計(jì)算已知基因型的個(gè)體在每個(gè)QTL位點(diǎn)育種值的條件均值。開(kāi)展基因組選擇研究的重要組成部分是通過(guò)QTL效應(yīng)的貢獻(xiàn)率計(jì)算條件均值。在實(shí)際育種中，通過(guò)分子標(biāo)記基因型評(píng)估育種值的方法都很相似，但是，越來(lái)越多的序列和SNP數(shù)據(jù)的獲得將成為評(píng)估育種值的最理想方法?；蚪M選擇研究計(jì)劃的實(shí)施將對(duì)遺傳評(píng)價(jià)體系和遺傳改良技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，該項(xiàng)新型育種技術(shù)正使全球動(dòng)植物遺傳改良發(fā)生重大變革［59－62］。因此，全基因組選擇將成為全球最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，在未來(lái)的育種實(shí)踐中會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

基因組選擇的最基本思路：在基因組中存在大量遺傳標(biāo)記（SNP），影響性狀的所有基因都至少與1個(gè)標(biāo)記緊密連鎖，通過(guò)對(duì)所有標(biāo)記效應(yīng)的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全基因組所有基因效應(yīng)的估計(jì)，利用估計(jì)的標(biāo)記效應(yīng)計(jì)算個(gè)體育種值，即基因組育種值（genomic estimated breeding value，GEBV），然后根據(jù) GEBV的大?。ɑ蚪Y(jié)合系譜、后裔信息）進(jìn)行選擇。在全基因組選擇中，要計(jì)算群體中每個(gè)單株的基因組育種值（GEBV），每個(gè)育種值的計(jì)算是基于1個(gè)模型，該模型包括影響每個(gè)性狀的所有標(biāo)記。選擇是建立在基因組育種值的基礎(chǔ)上，而不是依靠表型性狀的信息。實(shí)際上，全基因組選擇的價(jià)值在于表型性狀僅僅是用來(lái)建立和改進(jìn)育種模型，而基因組育種值則是通過(guò)DNA和標(biāo)記的評(píng)估來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。正像在傳統(tǒng)的表型選擇中，建立育種參數(shù)的同時(shí)，對(duì)多個(gè)性狀進(jìn)行選擇。模擬研究表明，與表型選擇和分子標(biāo)記輔助選擇相比較，全基因組選擇對(duì)多個(gè)QTL控制的復(fù)雜性狀在單位時(shí)間內(nèi)能夠獲得更大的遺傳增益，這取決于全基因組選擇預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，模型的準(zhǔn)確性取決于性狀遺傳力，群體大小，連鎖不平衡的廣度和標(biāo)記的數(shù)量［60－63］。

為了建立一個(gè)全基因選擇模型必須進(jìn)行表型性狀和分子標(biāo)記數(shù)據(jù)的收集，實(shí)際上是在進(jìn)行一個(gè)平行的表型選擇育種方案。一旦模型建立好，通過(guò)模型中確定的全基因育種值可以對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行評(píng)估和選擇。值得注意的是表型選擇的評(píng)價(jià)將會(huì)不斷在表型選擇育種方案中進(jìn)行，但是表型評(píng)價(jià)不僅在被選擇的植物資源中具有重要的作用，而且也將為進(jìn)一步改進(jìn)全基因組選擇模型提供補(bǔ)充的信息［59－60］。GS選擇是通過(guò)對(duì)盡可能多的后代群體單株進(jìn)行基因分型后基于基因育種值評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)行。模型的更新對(duì)GS很有必要，不僅為分子育種值提供補(bǔ)充的數(shù)據(jù)，而且在選擇中可以重新評(píng)估每個(gè)標(biāo)記隨著等位基因變化的權(quán)重。隨著測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，基因分型成本的大大降低，基因組選擇比表型性狀選擇不論在時(shí)間和成本效益上均具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)［61－64］。

目前，已有報(bào)道GS成功地應(yīng)用于牛的育種中，而在植物育種中相關(guān)的報(bào)道還鮮為少見(jiàn)［60－61］。對(duì)紫花苜蓿而言，應(yīng)用GS需要預(yù)測(cè)模型能夠解釋其四倍體和高度雜合的特性，這無(wú)疑與二倍體苜蓿相比選擇過(guò)程變得更為復(fù)雜。因此，在四倍體苜蓿中評(píng)價(jià)等位基因的劑量比簡(jiǎn)單地確定特定等位基因的存在或缺失就顯得更重要［52－53］。此外，許多標(biāo)記需要估算其成本效益，要獲得大批量分子標(biāo)記位點(diǎn)的數(shù)據(jù)最經(jīng)濟(jì)有效的方法是通過(guò)測(cè)序進(jìn)行基因分型（GBS）［65－66］。但是，四倍體不同于二倍體和自交品種，GBS應(yīng)用于雜合性高的同源四倍體苜蓿將面臨2個(gè)限制因素：首先，在同源四倍體中，某個(gè)個(gè)體特定位點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)的補(bǔ)充難度很大幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而在自交二倍體中，缺失數(shù)據(jù)的補(bǔ)充通過(guò)緊密連鎖標(biāo)記的基因型就可以完成［52，66］。第二，需要深度測(cè)序獲得每個(gè)位點(diǎn)的劑量信息。然而，這種方法可能比其他方法需要更高的成本，但隨著測(cè)序成本的降低，這種方法將在近幾年會(huì)成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

6 討論及展望

隨著分子標(biāo)記手段的不斷更新和基因組圖譜的日趨飽和，其應(yīng)用也隨之向深度和廣度推進(jìn)［53］。目前，已將分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)與傳統(tǒng)育種方法相結(jié)合成功應(yīng)用于動(dòng)植物育種中，極大地促進(jìn)了動(dòng)植物育種的選育進(jìn)程。然而，最新發(fā)展的全基因組選擇與分子標(biāo)記輔助選擇相比，更具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)［59］。

分子標(biāo)記輔助選擇僅能對(duì)部分遺傳變異進(jìn)行檢測(cè)，而且容易將其遺傳效應(yīng)值估計(jì)過(guò)高。此外，分子標(biāo)記輔助選擇關(guān)注的是對(duì)少數(shù)幾個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)進(jìn)行定位，預(yù)期通過(guò)精確定位這些QTLs確定主效基因的位點(diǎn)。全基因組選擇方法則能夠方便地對(duì)所有遺傳變異和遺傳效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和估計(jì)。其研究目的不是鑒定功能突變，而是應(yīng)用隨機(jī)的一組全基因組的標(biāo)記來(lái)預(yù)測(cè)育種值。由于這種方法跟蹤所有的遺傳變異，希望對(duì)候選個(gè)體在不需要表型評(píng)價(jià)鑒定的基礎(chǔ)上可以精確的獲得育種值［60－61］。在短期內(nèi)，全基因組選擇使育種值的計(jì)算變得更為復(fù)雜化，尤其是通過(guò)國(guó)家育種評(píng)價(jià)系統(tǒng)來(lái)計(jì)算。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)來(lái)看，育種值和遺傳值的評(píng)估模型完全依賴于基因分型個(gè)體的DNA標(biāo)記，而不受研究個(gè)體的干擾。因此，當(dāng)前全基因組選擇受到高度的重視，但值得注意的是需要更多的驗(yàn)證，才能得到廣泛的應(yīng)用［59］。

全基因組選擇對(duì)加快育種進(jìn)程更勝一籌。經(jīng)過(guò)第一代表現(xiàn)型鑒定并建立基因型和表現(xiàn)型的關(guān)系后，隨后全基因組選擇可以在溫室通過(guò)反季節(jié)加代的方法來(lái)進(jìn)行，一年可以完成3個(gè)輪回的選擇，有效地縮短育種進(jìn)程，降低育種成本。分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)很難同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行有效選擇，且因不同性狀的標(biāo)記往往不同，增加了檢測(cè)成本［60－63］。此外，全基因組選擇可以在基礎(chǔ)群體中對(duì)多個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行表型檢測(cè)并且對(duì)各個(gè)標(biāo)記的效應(yīng)進(jìn)行估計(jì)，在育種群體中利用相同的SNP標(biāo)記對(duì)所有性狀進(jìn)行分析。尤其是基因芯片技術(shù)和高通量基因分型檢測(cè)與分析等新型技術(shù)的出現(xiàn)不僅為基因的定位、表達(dá)研究提供了新的工具，而且大大降低了分子標(biāo)記應(yīng)用的費(fèi)用。相信在不久的將來(lái)，通過(guò)模式植物水稻、擬南芥（Arabidopsisthaliana），尤其是豆科模式植物蒺藜苜蓿的基因組計(jì)劃和相關(guān)研究的影響下，全基因組選擇方法在苜蓿上的應(yīng)用研究必將迎來(lái)一個(gè)迅速發(fā)展的時(shí)代［62－66］。

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